Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Кудияров В.Н. 1 Бабихина М.Н. 1 Кашкаров Е.Б. 1 Сыртанов М.С. 1

---

1 Томский политехнический университет

В данной работе проведено исследование влияния температуры и давления на скорость сорбции водорода циркониевым сплавом Э110 с нанесенным слоем никеля. Увеличение скорости сорбции водорода возможно при нанесении слоя никеля на циркониевые сплавы, так как никель обладает хорошими физическими и химическими свойствами. И поэтому нанесение слоя никеля на циркониевый сплав Э110 способствует увеличению скорости сорбции водорода. Увеличение температуры наводороживания от 350 °C до 550 °C при постоянном давлении 2 атм. приводит к увеличению скорости сорбции в 4,45 раза для циркониевого сплава со слоем никеля. При увеличении давления наводороживания от 0,02 до 0,2 и от 0,2 до 2 атм. при постоянной температуре 550 °C скорость сорбции увеличивается в 49,6 и 4,67 раза соответственно.

Статья в формате PDF

1993 KB

циркониевый сплав

никелевое покрытие

наводороживание

1. Воеводин В.Н. Конструкционные материалы ядерной энергетики – вызов 21 века // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. – 2007. – № 2. – С. 10–22.

2. Steuwer A. et al. Evidence of stress-induced hydrogen ordering in zirconium hydrides // Acta Materialia. – 2009. – Т. 57. – № 1. – С. 145–152.

3. Bibienne T. et al. Synthesis, characterization and hydrogen sorption properties of a Body Centered Cubic 42Ti–21V–37Cr alloy doped with Zr 7 Ni 10 //Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Т. 620. – С. 101–108.

4. Kido T., Sugano N. Trans. // At. Energy Soc. Jpn. 1 (2002) 469-471 (на японском).

5. Кудияров В.Н., Лидер А.М., Пушилина Н.С., Тимченко Н.А. Особенности накопления и распределения водорода при насыщении титанового сплава ВТ1-0 электролитическим методом и из газовой среды // Журнал технической физики. – 2014. – № 84(9). – С. 23.

6. Литовченко С.В. и др. Приготовление образцов для металлографического исследования микроструктуры. – 2012.

7. Arnell R.D., Kelly P.J. Recent advances in magnetron sputtering // Surface and Coatings Technology. – 1999. – Т. 112. – № 1. – С. 170–176.

8. Кудияров В.Н., Лидер А.М. Изучение процессов сорбции и десорбции водорода при помощи автоматизированного комплекса Gas Reaction Controller LP. – 2013. – № 10. – С. 3466–3471.

9. Янилкин A.B. Моделирование диффузии водорода в гидриде циркония на основе метода квантовой молекулярной динамики // Физика твердого тела. – 2014. – Т. 56. – № 9.

10. Yexin C. Kinetics of Hydrogen Diffusion in Ti-6Al-4V Alloy //Rare Metal Materials and Engineering. – 2015. – Т. 44. – № 3. – С. 553–556.

Водород оказывает существенное влияние на физико-химические и механические свойства металлов и сплавов. Особенно актуальна эта проблема для циркониевых сплавов, которые эксплуатируются в активной зоне ядерного реактора [1, 2]. Для проведения самых различных исследований необходимо подготавливать экспериментальные образцы с различными концентрациями водорода и с его различным распределением по объему материала. Однако при наводороживании циркониевых сплавов важно учитывать, что они покрыты оксидной пленкой, которая снижает скорость сорбции водорода, а в ряде случаев может и полностью предотвратить проникновение водорода.

Увеличение скорости сорбции водорода возможно при нанесении слоя никеля на циркониевые сплавы. Никель имеет высокую физическую и химическую адсорбционную активность по отношению к водороду, и обладает высокой степенью проницаемости для водорода. Кроме того, оксидная пленка на никеле образуется хуже, чем на цирконии, что способствует абсорбции водорода [3, 4].

С другой стороны на скорость сорбции водорода оказывают влияние параметры наводороживания. Так при наводороживании из газовой среды важными параметрами являются температура и давление водорода в реакционной камере [5]. В настоящей работе проведено исследование влияния нанесения слоя никеля на скорость сорбции циркониевым сплавом Э110 при различных режимах наводороживания из газовой среды.

Материалы и методы исследования

Для исследования использовались прямоугольные плоские образцы циркониевого сплава Э110 (Zr1 %Nb) размерами 20*20*0,6 мм. Образцы подверглись шлифованию для удаления окисной пленки с помощью наждачной бумаги с маркировками по ISO-6344 1500 и 2000 для достижения шероховатости Ra≈0,05 мкм [6]. Затем образцы подверглись ионной очистке, с последующим нанесением никеля. Ионная очистка и нанесение слоя осуществлялось методом магнетронного распыления [7] на вакуумной установке «Радуга-спектр». Наводороживание проводилось на установке Gas Reaction Controller LPB [8] при постоянном давлении 2 атм. и разных температурах в диапазоне 350-550 °C и при постоянной температуре 550 °C в диапазоне давлений водорода 0,02-2 атм.

Результаты исследования и их обсуждение

На рис. 1 представлены кривые сорбции водорода при давлении 2 атм. циркониевым сплавом Э110 до и после нанесения слоя никеля в зависимости от температуры наводороживания.

Рис. 1. Кривые сорбции водорода при давлении 2 атм. циркониевым сплавом Э110 до и после нанесения слоя никеля в зависимости от температуры наводороживания: а) 350 °C; б) 450 °C и в) 550 °C

Из данных кривых видно, что с увеличением температуры увеличивается скорость сорбции водорода цирконием. Так же в данных графиках сравнивается скорость сорбции водорода цирконием со слоем никеля и без него. Из полученных результатов видно, что никель увеличивает скорость проникновения водорода в материал.

Из данных кривых видно, что с увеличением температуры растет скорость сорбции водорода цирконием. Из полученных данных, представленных в таблице видно, что Ni способствует увеличению скорости проникновения водорода в материал.

Скорость сорбции водорода при различных температурах циркониевым сплавом Э110 до и после нанесения слоя никеля

Из данных, представленных в таблицы можно вычислить энергию диффузии водорода циркониевым сплавом Э110. Для этого необходимо полученное значение скорости сорбции водорода возвести в степень минус один и от полученного значения взять натуральный логарифм. Полученные значения должны соответствовать температуре в градусах Кельвина, возведенная в степень минус один. Далее необходимо графически показать получившуюся зависимость, в которой по оси абсцисс будут значения температуры, а на оси ординат значения натурального логарифма. Затем необходимо провести аппроксимирующую прямую, значение которой и будет являться энергией диффузии водорода. Графики экспериментальных данных представлены на рис. 2.

Рис. 2. Графики аппроксимирующих прямых при разной температуре без слоя никеля (а) и с нанесенным слоем никеля (б)

Полученное значение для циркониевого сплава без нанесенного слоя никеля, равное 9,07 Дж, хорошо коррелируется с литературными данными [9].

Также энергию диффузии водорода можно посчитать и теоретически исходя из данных статьи [10]. Из уравнения Аррениуса (1), показывающее соотношение между коэффициентом диффузии и температурой.

(1)

Сочетая данное соотношение и уравнение Аррениуса можно получить следующее уравнение (2):

, (2)

где D0 – ; Q – энергия диффузии; kB – коэффициент Больцмана; T – температура.

На рис. 3 представлены кривые сорбции водорода при постоянной температуре 550 °C и различных давлениях: 0,02 атм., 0,2 атм., 0,5 атм., 1 атм., 1,5 атм., 2 атм.

Рис. 3. Кривые сорбции водорода при температуре 550 °C циркониевым сплавом Э110 с нанесенным слоем никеля в зависимости от давления наводороживания: 1 – 0,02 атм.; 2 – 0,2 атм.; 3 – 0,5 атм.; 4 – 1 атм.; 5 – 1,5 атм.; 6 – 2 атм. (а) и скорость сорбции водорода при различных давлениях (б)

Из данных кривых видно, что с увеличением давления растет скорость сорбции водорода. Это связано с тем, что при повышении давления увеличивается скорость адсорбции водорода цирконием.

Заключение

Исследование циркониевого сплава Э110 с нанесенным слоем никеля показало, что при увеличение давления до 2 атм. проводит к увеличению скорости сорбции до 5,79*10-3 масс. %/с при постоянной температуре 500 °С. Изменение давления от 0,02 атм. до 2 атм. при постоянной температуре 500 °С привело к увеличению концентрации водорода от 0,08 масс. % до 2,2 масс. %. Аналогичное исследование проводилось и для исходного циркония и с нанесенным слоем никеля при постоянном давлении. Данная часть исследования показала, что при температуре 550 °С и постоянном давлении 2 атм. скорость сорбции водорода увеличивается до 1,55*10-3 масс. %/с и до 1,78*10-3 масс. %/с для исходного циркония и с нанесенным слоем никеля соответственно. Изменение температуры от 350 °С до 550 °С при постоянном давлении 2 атм. привело к увеличению концентрации водорода от 0,2 масс. % до 2,1 масс. % и от 1,3 масс. % до 2,1 масс. % для исходного циркония и с нанесенным слоем никеля соответственно. Посчитанная энергия диффузии водорода равна 9,07 Дж и 6,81 Дж для исходного циркония и с нанесенным слоем никеля соответственно.

Библиографическая ссылка